ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

RESEARCH OF THE THYRISTOR CONVERTER OF THE SOFT START DEVICE OF THE ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE

Aleksey Berezkin

masters student, Department of «Radio-electronic and electrical systems and complexes», Don State Technical University,

Russia, Shakhty

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрен принцип построения устройства плавного пуска асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором. Показана схема формирователя синхроимпульсов, тиристорного преобразователя. Рассмотрен метод фазоимпульсного управления трехфазным тиристорным преобразователем, представлены результаты имитационного моделирования.

ABSTRACT

In work the principle of construction of a soft start device for an asynchronous electric drive with a squirrel-cage rotor is considered. Shown is a diagram of a sync pulse generator, a thyristor converter. The method of phase-pulse control of a three-phase thyristor converter is considered, the results of simulation are presented.

Ключевые слова: асинхронный электропривод; устройство плавного пуска; тиристорный преобразователь.

Keywords: asynchronous electric drive; soft starter device; thyristor converter.

В настоящее время асинхронные электродвигатели находят широкое применение в качестве приводов промышленных вентиляторов, компрессоров, насосов, ленточных конвейеров, дробилок, мельниц. С целью ограничения токов в обмотках электроприводов и устранения динамических перегрузок механизма при пуске, схема электрооборудования дополняется специальным пускателем, в качестве которого используют частотный преобразователь, либо тиристорное устройство плавного пуска (УПП).

В отличие от частотного преобразователя УПП не изменяет частоту питания обмоток электродвигателя, а с течением времени плавно повышает напряжение от начального до полного значения. Это позволяет существенно снизить нагрузку на питающую сеть, а также механические воздействия на детали оборудования в момент пуска.

Функциональная схема УПП показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема УПП

Как видно из схемы, УПП состоит из тиристорного преобразователя, контакторов (пускового и обходного), датчика тока, устройства ввода, кнопки пуск/стоп. Преобразователь включает в себя понижающий трансформатор, блок питания, формирователь импульсов синхронизации, силовые тиристоры

[1, с. 78] и микроконтроллер.

Управление тиристорами преобразователя УПП осуществляет микроконтроллер. После подачи команды «ПУСК» микроконтроллер включает пусковой контактор и по заданным параметров пуска плавно открывает тиристоры, по завершению пуска электродвигателя включает шунтирующий (обходной) контактор, закрывает тиристоры, отключает пусковой контактор.

Процесс выключения по команде «СТОП» происходит в обратном порядке. Включается пусковой контактор, полностью открываются тиристоры, отключается обходной контактор, плавно закрываются тиристоры, после чего отключается пусковой контактор. Такой алгоритм управления позволяет осуществить бездуговую, а, следовательно, без перенапряжений, коммутацию нагрузки.

Известны 3 способа управления тиристорами: амплитудный, фазовый и широтно-импульсный [2, с. 67].  При фазовом управлении требуется сигнал синхронизации, фаза которого однозначно определяет фазу сигнала питающей сети. Для решения данной задачи с использованием доступной элементной базы разработана схема узла формирователя синхроимпульсов, приведенная на рисунке 2. Схема содержит 3 независимых канала, включенных под линейное напряжение питающей сети. Каждый канал формирует 2 взаимно ортогональных синхроимпульса прямоугольной формы величиной 12 Вольт.

Фронты синхронизирующих импульсов соответствуют началу отчета фазового угла линейного напряжения. Каждый канал содержит: элементы гальваноразвязки, реализованные на микросхемах HCNW139, повторители на полевых транзисторах 2N7002, а также мощные токоограничивающие резисторы в цепи линейных напряжений.

Рисунок 2. Принципиальная схема формирователя синхроимпульсов

Для исследования схемы формирователя синхроимпульсов, а также выбора режима ее работы произведено моделирование с использованием Proteus 8.0. Результаты моделирования схемы представлены на рисунке 3. Представленный результат моделирования отражает временные зависимости линейного напряжения между фазами U, W (верхняя кривая), прямого синхроимпульса на стоке транзистора Q1 и инверсного синхроимпульса, измеренного на стоке полевого транзистора Q2.

Рисунок 3. Принципиальная схема формирователя синхроимпульсов

Масштаб по оси времени выбран равным 5 мс на клетку, по оси напряжения для верхней кривой – 150 В на клетку, для выходных импульсов – 2 В на клетку.

Для реализации метода фазового необходимо строго соблюдать очередность открытия каждого из шести тиристоров во времени с привязкой к синхроимпульсам. Анализ литературных источников показал отсутствие требуемых диаграмм управления. Подобные решения касаются в основном управления трехфазными выпрямителями и непригодны для питания систем асинхронного электропривода.

Разработанные диаграммы управления тиристорами показаны на рисунке 4. Слева показана схема включения тиристоров VT1-VT6. Элементы UV, UW, VW являются нагрузкой, соединены в треугольник.

К каждому из элементов нагрузки UV, UW, VW может быть приложено линейное (межфазное) напряжение сети. Фазы питающей сети обозначены через U, V, W.

Рисунок 4. Диаграммы управления тиристорами УПП

При положительной полуволне сетевого напряжения на фазе U относительно фазы V в некоторый момент времени (соответствующий углу открытия) отпираются тиристоры VT2 и VT3, обеспечивая прямое протекание тока через нагрузку UV. Далее с течением времени возрастает потенциал на фазе W относительно фазы U, отпираются тиристоры VT6 и VT1, что обеспечивает обратное протекание тока через нагрузку UW. Далее с течением времени возрастает потенциал на фазе V относительно фазы W, отпираются тиристоры VT4 и VT5, обеспечивая прямое протекание тока через нагрузку VW. Затем потенциал возрастает на фазе V относительно фазы U, управляющие импульсы отпирают тиристоры VT4 и VT1, обеспечивая протекание обратного тока через нагрузку UV. Далее с течением времени возрастает потенциал на фазе U относительно фазы W, микроконтроллер отпирает тиристоры VT2 и VT5, обеспечивая тем самым протекание прямого тока через нагрузку UW. При положительной полуволне сетевого напряжения на фазе W относительно фазы V отпираются тиристоры VT3 и VT6, обеспечивая обратное протекание тока через нагрузку VW. После чего цикл поочередного открытия тиристоров периодически повторяется, а моменты времени, в течение которых тиристоры удерживаются в открытом состоянии, увеличиваются.

Моделирование работы тиристорного преобразователя с фазовым управлением удобно проводить в пакете SimPowerSystems, который содержит набор блоков для построения виртуальных моделей электротехнических устройств и устройств силовой электроники. На рисунке 5 показан результат моделирования, отражающий временную зависимость напряжения и тока в нагрузке при угле открытия 130°.

Рисунок 5. Графики напряжения и тока при угле 130°

Из графиков на рисунке 5 видно, что форма тока на напряжения не синусоидальная вследствие не полностью открытых тиристоров, характер нагрузки индуктивный, ток опережает напряжение.

Список литературы:

1. Лепанов М.Г., Розанов Ю.К. Силовая электроника: учеб. и практикум для академич. бакалавриата: Юрайт, 2017. — 207 с.
2. Петров Л. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода: техн. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 200 с.